CO2 Utilization by Biomass Gasification: Experimental Investigations, Measurement Innovation, and Process Design for Carbon Recycling in Ironmaking

Biomassevergasung mit CO2 bietet einen vielversprechenden Pfad, um aus Biomasse und CO2 ein CO-reiches Produktgas mit erneuerbarem Kohlenstoff und Energie bereitzustellen. Damit dies als tragfähige CO2-Nutzungsstrategie gelten kann, müssen zentrale Herausforderungen bewältigt werden: Prozessoptimierung, Validierung der CO2-Umwandlung und industrielle Integration. Diese Arbeit adressiert diese drei Fragen durch gezielte Experimente, neue Messmethoden und Prozesssimulationen.Erstens untersucht die Arbeit, wie die CO2-Umwandlung in Wirbelschicht-Biomassevergasern erhöht werden kann. Hohe Betriebstemperatur (≥850 °C) wird als entscheidender Faktor identifiziert, da sowohl die Gleichgewichtskonzentration von CO als auch die Kinetik der Boudouard-Reaktion (C + CO2 ⇌ 2CO) begünstigt werden. Für hohe CO2-Umwandlung müssen ausreichende Verfügbarkeit von Festkohlenstoff und Gas-Feststoff-Kontaktzeiten sichergestellt werden. Unter optimierten Bedingungen wird eine CO2-Umwandlung von 93 % bei der Vergasung von Holzkohle erreicht.Zweitens validiert die Arbeit die Umwandlung von zugeführtem CO2 im Reaktor durch eine neue Messmethode auf Basis von Kohlenstoffisotopen. Vorhergehende Untersuchungen schätzten die CO2 Umwandlung ohne zwischen Kohlenstoff aus Biomasse und CO2 zu differenzieren. Die neue Methode ermöglicht es durch Analyse der unterschiedlichen δ13C-Signaturen von Biomasse und zugeführtem CO2 nachzuverfolgen, welcher Anteil des zugeführten CO2 im Prozess umgesetzt wird. Dies validiert Biomassevergasung mit CO2 als CO2-Nutzungsstrategie und fördert Prozessverständnis. Drittens bewertet die Arbeit durch Prozesssimulation die Integration der CO2-Biomassevergasung in einen Eisenherstellungsprozess. Der Vergaser stellt Reduktionsgas für die Eisenherstellung bereit und recyclet dabei prozessbedingt emittiertes CO2 – ein kompaktes CCU-System. Techno-ökonomische und Lebenszyklusbewertungen zeigen hierbei Vorteile gegenüber erdgasbasierten Verfahren: Netto-negative Emission von −83 kgCO2e/tCDRI bei levelisierten Kosten von 350 €/tCDRI stehen Emissionen von 892 kgCO2e/tCDRI und Kosten von 416 €/tCDRI im konventionellen MIDREX-Prozess gegenüber.Zwei ergänzende Themen erweitern das Forschungsfeld. Erstens wird ein zweistufiger Prozess aus Torrefizierung und CO2-Vergasung zur Herstellung hochporöser Biokohle mit spezifischer Oberfläche bis zu 800 m2/g untersucht. Zweitens wird ein 2.3 THz Quantenkaskadenlaser zur spektroskopischen Quantifizierung von H2O in heißem, teerhaltigen Produktgas vorgestellt, was zur Überwindung bestehender Messtechnikhürden beiträgt. Zusammenfassend stärkt diese Arbeit die wissenschaftlich-technische Basis der CO2-Biomassevergasung. Sie liefert neue Messwerkzeuge, Strategien zur Leistungssteigerung und Belege für die industrielle Anwendbarkeit. Dies positioniert die Technologie als glaubwürdigen Pfad zur Bereitstellung erneuerbaren Kohlenstoffs und zur industriellen CO2-Nutzung.